矿山井下采空区对露天矿边坡稳定性的影响分析

2019-01-03房永健

中国金属通报 2019年10期

房永健

（江西省地质矿产勘查开发局九一二大队，江西鹰潭 335000）

随着井下和露天采矿过程的改变，矿山井下采空区对露天矿边坡的稳定性产生严重影响，许多科研人员对此进行了详细的研究。利用极限平衡分析和数值模拟、限制柱的代表性分析和计算均值作为验证稳定性分析的方法，对露天矿边坡的稳定性施工进行指导。同时考虑到矿井采空区的位置和跨度不同，对露天矿边坡稳定性的影响各不相同。本文根据各种不同的位置，包括露天矿边坡模型、跨越各种地下矿井采空区，对露天矿边坡稳定性构成较大影响，希望能够有效提升露天矿边坡稳定性，保障施工人员的生命财产安全[1]。

1 强度折减法原理

强度折减法的概念是强度储备安全系数的基础，在安全系数和稳定极限平衡法确定的方法中给出的概念是相同的。在使用强度折减法的情况下，其中外部荷载由露天矿边坡的强度参数保持不变，以减少岩体流动，稳定露天矿边坡，使边坡处于平衡状态。露天边坡体最大剪切强度的比值参数在极限平衡状态下降低，基本原理是岩体强度指数c，同时除以减少因子F和一个新的集合，然后形成一个新的材料参数制作成电子表格。如果露天矿的坡度符合确定临界断层条件的给定条件，则相应的f是露天矿坡度的最小安全系数。

2 矿山井下采空区的位置和跨度对露天矿边坡稳定性的影响因素

2.1 计算模型和边界条件

为了研究露天矿山中心不同位置的地下矿采空区，对露天矿边坡稳定性的影响，建立露天矿底部的土壤和露天矿边坡的参考数值。对于露天矿坡位分别为4m、6m、8m、10m和12 m，除了建立地下矿采空区固定模型外，其中水平位置尺寸不同，相当于地下矿采空区平均高度这是5m。所有型号的露天矿坡度高度为60m，露天矿坡度角度为50°。

计算模型边界条件：地表矿山边坡的所有自由度都受到限制，左边的自由度露天边坡边界在水平方向上的边界限制，垂直于地表矿山边坡的横截面方向。采用的边坡材料为模型，密度为27×103N / m3，弹性模量为1.0×1010Pa，泊松比为0.23，附着力为0.42×105Pa，内摩擦角为17°，抗拉强度为0.05MPa。该模型分为6750个单元，生成14012个节点。

2.2 矿山井下采空区不同水平位置对露天矿边坡稳定性的影响

地下矿采空区在露天矿边坡处达到同一水平，但开采的地下室区域与露天矿坡对面的距离不同，其露天矿边坡稳定性影响也不同。在露天矿边坡地下采空区中部，随着地下矿露天采场区域从边坡表面逐渐增大，安全系数增加，露天边坡的工艺处理也在增加。地下矿露天采空区与露天矿坡面处于同一水平，但距边坡的距离不同，其露天矿边坡稳定性的影响也不同[2,3]。

2.3 露天矿边坡的特点

（1）在露天开采中，边坡通常较高，从几十米到几百米，几百米到几公里不等。具有长时间破碎、完整性差、岩体低的特点。

（2）露天矿的最后一个边坡从上到下逐渐形成，上边坡寿命长，下边坡寿命短，因此上下边坡的稳定性不同且时间紧迫。

（3）露天矿的频繁穿孔、爆破，使山坡上的质量受到频繁振动的影响。

（4）边坡与露天矿一起形成，其稳定性不断变化。

例如白石湖露天煤矿的边坡为岩质边坡，坡度为70°，阶梯高度为12 m。随着矿坑边界的扩大，煤矿周围出现了不同长度的裂缝，特别是在第二矿区的东部。在桅杆附近，甚至有宽度超过10cm的裂缝。长度延伸至南部，最长100m。矿区南部边界发生过小型滑坡。

3 综合分析矿山井下采空区对露天矿稳定性的影响

矿山井下采空区对露天矿边坡稳定性的影响与采场滑坡面和露天矿边坡的相对位置有关。

（1）当矿山井下采空区在露天矿边坡下端时，当距离地下采空区并悬挂在一个区域内，不同大小和地下采空区水平位置减小了露天边坡降低安全系数，当地下采空区位于地表采矿边坡以上时，露天矿边坡稳定，无冲击。当矿山井下采空区位于露天矿边坡中间位置时，对于边坡来说，滑动面不能过大，根据地下矿山抛物线的存在减少质量，从而滑动体上推力的各自滑动面减小，露天矿边坡安全系数增加。当跨越较大的地下矿区时，露天坡体重较小，会增加露天矿倾斜度的稳定性。如果矿井采空井超过滑动面，则地下采矿摊铺的存在对应于滑道厚度的减小，滑动阻力各自的滑动面强度折减法，露天矿倾角的安全系数降低，地下矿山的跨度越大，推力的滑动面可以减小，露天矿边坡的稳定性会下降。

（2）当矿山井下采空区位于露天矿边坡采空区中间位置时，露天矿边坡将随着地下采空区水平位置的变化而变化。地下采空区的塑性区与边坡的距离增加，如果露天倾斜在顶部，则塑性区与地下采空区水平距离较近，在露天矿边界处增加平衡状态时，露天边坡塑性带导致滑带加宽将继续扩大。如果露天矿梯度保持平衡，塑性区边坡露天开采将继续扩大，无论露天矿中间或上部位于采空区附近。如果需要继续开采，那么露天矿倾斜度越大，对露天矿边坡稳定性的影响就越严重。

（3）如果矿山井下采空区位于露天矿边坡脚下时，矿山井下采空区对于露天矿边坡稳定性的影响取决于其在露天矿坡脚的相对位置。随着采空区矿区靠近露天矿边坡，露天矿边坡的稳定性显著降低，滑坡体积也增加，露天边坡的安全问题也就随之增加。在矿山井下采空区一定程度上影响了水平位置的露天坡边坡，露天矿边坡稳定性有一定程度的增加，但地下矿采空区容易发生顶部破坏，造成露天坑。边坡体的滑动力减小，从而降低了露天矿边坡的安全系数。

4 加强矿山井下采空区的调查研究，减小对露天矿边坡稳定性的影响

在开采露天矿期间，随着挖掘工作的进展，边坡稳定性会发生变化。对于矿山井下采空区来说，有些驱动因素在短期内很难准确估算，并且有些因素难以量化。为避免边坡事故并减少或控制边坡损坏的严重后果，可采取以下措施：加强地质调查。矿山井下采空区地质调查是边坡稳定性分析的基础，包括岩石开采类型、石材表面结构、水力勘探、自然侧等。用于减小边坡的措施，例如边坡的减小和压脚的重量减轻，用于抑制滑坡的进一步发生和发展。跑道的重量减轻是控制跑道稳定性的有效措施；在边坡下坡采用加固支护工程，如防滑桩、挡土墙和灌浆等。从山坡排出地下水，降低边坡的地下水位。在采矿过程中适当选择爆破方法，采取措施减少和防止施工和运输过程中的地震，减少振动对边坡的影响；加强国家对差距的调查和监测，建立有效的差距监测系统和梯度条件参数数据库。测量员每天分析和校正测量的坐标以确定所选择的控制点是否偏移；加强安全生产监督管理矿井安全培训，加大对矿山人员培训力度，同时加大矿山安全技术和管理人员安全培训力度，建立专门的边坡修整队伍，建立相应的安全法规，实施安全生产责任制。